限域水系统的电子结构理论研究

发布时间：2017-03-20 01:01

  本文关键词：限域水系统的电子结构理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水是贯穿科学研究及生产生活各领域最重要的物质之一，是地球上所有已知生命体生存所依赖的主要资源，其在生命演化过程中具有非常重要的意义。水分子团簇的结构特性以及在限域环境影响下的性质变化与一些基本的生命演化过程密切相关，一直都是物理、化学、生命及材料科学等领域的研究热点。本文综合使用了基于紧束缚密度泛函理论的结构优化及动力学模拟方法，对低维石墨烯表面乃至夹层石墨烯内部的水层特性进行了原子层次理论研究。具体研究工作主要包括以下五个部分： 首先，石墨烯中不可避免的缺陷会影响其应用。在本部分，我们基于大量的第三代量子紧束缚近似密度泛函（DFTB3）理论的分子动力学模拟的统计结果清晰地显示，常见的Stone-Wales缺陷和divacancy双空位缺陷在并不显著影响石墨烯的表面亲疏水特性，且其上水层的吸附也不会明显影响缺陷石墨烯自身的电学特性。我们发现：缺陷的类型和覆盖率变化及其引起的褶皱形变对石墨烯与水层中水分子的平均作用强度影响甚微（约0.1kcal/mol量级），而水层的存在也仅会引起能隙微小改变和向整个水层的微量电荷转移（约达0.1e）。这些结果清晰地说明石墨烯具有较好的稳定性，其电学特性主要由其自身结构特点所决定。我们的研究结果对石墨烯在生命科学和材料科学等领域的亲疏水性和电子特性的研究和应用是非常重要的。 第二，基于第三代量子紧束缚近似密度泛函（DFTB3）方法的动力学模拟，我们研究了双层石墨烯夹层间水系统的构象以及电子结构特性。有趣的是，层间距为4.5时水分子的OH键几乎平行于石墨烯双层，而4.0时部分非氢键的OH键反常指向石墨烯。结合电子结构分析的结果显示，，两种层间距时水层电子得失情况虽然总体很弱，但电荷偏移方向截然相反。前者平均每个水分子失电子达到0.008e，是由于富余电子的O的p轨道对石墨烯产生一定的电荷偏移导致；而后者平均每个水分子水得电子甚至超过0.017e，则是因为H的空1s轨道受到石墨烯上碳的p电子形成的离域π键扰动所致。我们的研究特别凸显了在石墨烯夹层间距缩小到范德华（van der Waals）边界以内时，电子结构会伴随着动态平衡构象的改变而发生变化，这将有利于深入理解夹层动力学模型的电学性能，并对石墨烯的电子器件设计以及调节夹层内部动态输运等方面带来有益的贡献。 第三，为了进一步探究夹层水分子对限域环境的反向影响因素，基于第三代量子紧束缚近似密度泛函（DFTB3）理论的动力学模拟以及结构优化，我们研究了双层石墨烯夹层水系统中水层对双层石墨烯的构象以及电子性质的反向影响。结果表明：在石墨烯层间距为4.0左右的强限域条件下，夹层水通过调节水分子朝向与双层石墨烯提供空间之间相互配合来降低体系排斥能及电子云重叠，这促使含有夹层水的双层石墨烯的稳定结构不再是无夹层水孤立体系中的AB堆垛，而是向着AA堆垛偏离。同时，在电子特性方面，夹层水对不同构象的双层石墨烯展现出了不同的前线轨道及带隙宽度调节效果，使体系电荷转移，差分电荷以及电子密度分布发生变化。这些结果对于理解夹层水系统结构及相关限域器件的设计具有重要意义。 第四，为了进一步探索非中性的离子环境中限域水分子对夹层石墨烯层间距以及电学性质的影响，本章比较了中性与离子环境中双层石墨烯与夹层水的相互作用。结果表明：当石墨烯夹层水系统中引入-1e电荷时，双层石墨烯的层间距增大，水分子与石墨烯相互作用减弱，系统的最高占据轨道（HOMO）仅来源于其中一层石墨烯，水分子与石墨烯以及石墨烯与石墨烯之间几乎都不存在电子轨道的耦合作用；而引入+1e电荷时双层石墨烯的层间距减小，水分子与石墨烯以及石墨烯与石墨烯之间的相互作用都增强，两层石墨烯对系统的最高电子占据轨道均存在贡献，石墨烯-石墨烯的电子轨道之间存在部分耦合作用。与夹层水系统明显不同的是，单纯双层石墨烯在离子环境中的层间距均小于中性环境中的情况，与引入的电荷电性无关。此外引入电荷可以促进石墨烯导电性增强。这些结果对于理解离子环境中夹层水系统结构及纳米电控开关设备的设计具有重要意义。 最后，为了讨论基于限域效应对夹层石墨烯与小分子相互作用方面的影响以及可能应用，采用第三代紧束缚密度泛函（DFTB3）理论，我们研究了不同周期性尺寸原胞石墨烯分别与小分子H2O、CH3、NH4之间的相互作用。结果表明：由于H2O、NH3、CH4三种小分子的结构与van der Waals半径的差异，对石墨烯形变与层间距，以及系统电学性质均带来了不同的影响；更有趣的是，当分别限域H2O分子与CH4分子时系统的电荷转移方向发生明显翻转，前者失电子约0.001e量级，是由于平行于两层石墨烯的H2O中由于O的半径大于H，使得富余电子的O的p轨道对石墨烯产生一定的电荷偏移，导致电荷由水分子转移给了石墨烯；后者CH4分子得到电子，甚至达到0.01e的数量级。这被归结为CH4中4个H原子朝向石墨烯，H的1s轨道受到石墨烯上p电子形成的离域π键的扰动，导致电荷转移发生翻转。本研究不仅有助于深入理解夹层限域系统结构，对小分子的识别以及气体传感器的设计具有一定的借鉴意义。
【关键词】：限域 水 石墨烯 电子结构 紧束缚密度泛函理论
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O561
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-32
• 1.1 水分子的结构14-15
• 1.2 氢键相互作用15-16
• 1.3 堆垛效应16-17
• 1.4 限域效应17-18
• 1.5 限域水18
• 1.6 石墨烯18-23
• 1.6.1 石墨烯的缺陷结构20-21
• 1.6.2 石墨烯的性质21-22
• 1.6.3 石墨烯的应用22-23
• 1.7 论文的选题23
• 参考文献23-32
• 第2章 理论基础与计算方法32-58
• 2.1 Schr dinger 方程32-34
• 2.2 分子轨道理论34-35
• 2.3 Hartree-Fock 方程35-37
• 2.4 密度泛函理论（DFT）37-41
• 2.4.1 Thomas-Fermi 方法37-38
• 2.4.2 Hohenberg-Kohn 定理38-39
• 2.4.3 Kohn-Sham 方程39-41
• 2.5 紧束缚（TB）理论41-42
• 2.6 紧束缚密度泛函（DFTB）理论42-50
• 2.6.1 Non-SCC DFTB 方法42-43
• 2.6.2 SCC-DFTB 方法43-46
• 2.6.3 Spin polarised DFTB 理论46-47
• 2.6.4 第三代密度泛函紧束缚（DFTB3）方法47-49
• 2.6.5 y~h函数49-50
• 2.6.6 密度泛函紧束缚理论中的色散修正50
• 2.7 密度泛函紧束缚的分子动力学50-54
• 2.7.1 DFTB 动力学的积分算法51
• 2.7.2 各种系综方法介绍51-53
• 2.7.3 DFTB 模拟中的 Thermostat 与 Barostat 调控53
• 2.7.4 周期性边界条件53-54
• 参考文献54-58
• 第3章 吸附水层的缺陷石墨烯稳定性研究58-76
• 3.1 引言58-59
• 3.2 计算方法与细节59-63
• 3.3 结果与讨论63-69
• 3.4 结论69-70
• 参考文献70-76
• 第4章 双层石墨烯限域水系统的电子结构理论研究76-98
• 4.1 引言76-77
• 4.2 计算方法与细节77-79
• 4.3 结果讨论79-89
• 4.4 结论89-90
• 参考文献90-98
• 第5章 强限域水反向诱导夹层石墨烯结构的理论研究98-112
• 5.1 引言98-99
• 5.2 计算方法与模型99-100
• 5.3 结果与讨论100-106
• 5.4 总结106-107
• 参考文献107-112
• 第6章 离子环境中双层石墨烯与限域水层的相互作用研究112-122
• 6.1 引言112-113
• 6.2 计算方法与细节113-114
• 6.3 结果与讨论114-117
• 6.4 总结117-118
• 参考文献118-122
• 第7章 限域小分子与双层石墨烯之间的相互诱导作用研究122-134
• 7.1 引言122-123
• 7.2 计算方法与模型123-124
• 7.3 结果与讨论124-129
• 7.4 结论129-130
• 参考文献130-134
• 第8章 总结与展望134-138
• 8.1 总结134-136
• 8.2 展望136-138
• 作者在学期间所取得的科研成果及获奖情况138-140
• 致谢140

【共引文献】

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